How I made a 60fps Eink monitor, the Modos Flow

TL;DR: 作者花四年自制了一台60fps的13.3英寸Eink显示器，通过像素级独立更新打破传统刷新率与对比度的取舍，最终开源了全部设计。 ## 从笔记本电脑副屏到60fps的偶然突破 起初作者在造一台Eink笔记本电脑，发现所有支持Eink的片上系统都是为低功耗电纸书设计的，处理器慢、接口有限，无法满足笔记本电脑需求。于是他在系统芯片和屏幕之间加入基于FPGA的驱动芯片——本质是自己造控制器。本意只是为副屏（类似大号Touch Bar）提供合理刷新率，并没想过高帧率。但在设计控制器的过程中，他突然有了在Eink上实现60fps的想法。尝试后发现居然可行。 ## 为什么传统Eink做不到60fps？ 传统Eink控制器使用全局更新定时器。每次刷新需要约100毫秒，新图像最差要等100毫秒才能开始处理。加快定时器可以获得更高帧率，但墨水粒子反应慢，刷新太快图像会变淡，只能在刷新率和对比度间取舍。 有些控制器用多区域更新（4～16个独立区域），但需要软件手动管理，仍有局限。 作者的方法完全不同：**把每个像素当成独立更新区域**。像素变化时立即开始更新，无需等待。结果同时获得高帧率和高对比度，速度与画质的权衡消失。 代价是内存带宽：传统控制器处理13英寸单色图像只需20MB/s，而他的方案需要540MB/s。这意味着要用DDR3而非普通SRAM，用DisplayPort而非USB——成本高昂，对看书来说完全没必要，但对显示器来说改变了一切。 ## 四年迭代：从电路板到产品 目标转向造出一台真正好的显示器。 ### 抖动算法与灰度显示 Eink本身无法无闪烁显示灰度。作者实现了三种算法： - **拜耳抖动**：速度快，但可见纹理。 - **蓝噪声抖动**：视觉效果更好。 - **误差扩散**：效果最好，但难以扩展到高分辨率。 抖动始终不如真正灰度。作者采用混合模式：图像变化时切换到快速二进制模式，稳定后再以灰度重新渲染。对阅读效果好，其他场景一般。自造控制器意味着可以针对自己的使用场景优化，不受预设模式限制。 ### 硬件迭代 - 第一个原型用全尺寸DisplayPort，后换成USB Type-C支持DisplayPort交替模式。 - 集成电源管理芯片停产后，换成离散DC-DC转换器。 - 添加完整电压和电流监控，保护屏幕免受意外闩锁事件。 - 每次改动至少一次PCB改版，超过20次。 ### 产品化波折 拿到第一个外壳设计后，看起来像真正产品了。在Hack Day、Supercon、Latchup、Crowd Supply拆机活动上展示，人们很兴奋。作者辞职全职投入。 #### 第一个打击：面板换代 刚全职投入，Ink公司发布新面板——更高分辨率、更好规格、更便宜。但必须为新面板重新设计一切：更高带宽解码器IC、DDR内存、FPGA、电源。几乎板上所有东西重来，至少延迟半年。 #### 第二次大改：先设计外壳再设计电路板 之前先设计电路板再配外壳，最终产品反过来——先确定机箱尺寸、安装点，让电路板去适配。设计更优化统一，但花更多时间。 #### 芯片供应商问题 完全组装好的原型不稳定：随机花屏、视频信号丢失、无法初始化。视频解码器芯片供应商拒绝帮忙，甚至不提供驱动代码。作者私底下额外付费才拿到源代码，但代码不能用，对方要求更多钱才给能用的代码。销售还一直推销更贵的芯片。几个月、几千美元打水漂。 最终换了另一家供应商，合作顺利得多，但他们的芯片在项目开始时尚未上市，所以别无选择。 ### 最终功能集成 - 触摸屏支持（新触摸控制器、驱动） - 无闪烁前置灯 - 帧率限制器（较低帧率对清晰度有用） - 低功耗模式（不插电省电） - 屏幕显示菜单控制所有功能 每个功能描述只是一句话，每个实现都花了数周。 ## 现状与开源 第一个原型之后四年，最终产品： - 13.3英寸，最高60fps - 极低延迟 - 多种显示模式（算法由作者控制） - 触摸屏，前置灯，彩色选项 - **完全开源**：硬件设计、FPGA代码、固件全部公开 项目在Crowd Supply上线，所有设计开源。 ## 总结 作者并不后悔这段经历。“当我做了决定，就会执行。当我解决了一个问题，它就彻底解决了。想实现功能时不需要说服任何人。很累，但成就感是有的——并不总是等于快乐。” 这只是一个开始。 Source: https://youtu.be/nHbA2-_qzH4